Evolutionary adaptive responses to rapid climate change in plants

Evolutionäre Anpassungsstrategien von Pflanzen an den Klimawandel

  • The ongoing climate change is altering the living conditions for many organisms on this planet at an unprecedented pace. Hence, it is crucial for the survival of species to adapt to these changing conditions. In this dissertation Silene vulgaris is used as a model organism to understand the adaption strategies of widely distributed plant species to the current climate change. Especially plant species that possess a wide geographic range are expected to have a high phenotypic plasticity or to show genetic differentiation in response to the different climate conditions they grow in. However, they are often underrepresented in research. In the greenhouse experiment presented in this thesis, I examined the phenotypic responses and plasticity in S. vulgaris to estimate its’ adaptation potential. Seeds from 25 wild European populations were collected along a latitudinal gradient and grown in a greenhouse under three different precipitation (65 mm, 75 mm, 90 mm) and two different temperature regimes (18°C, 21°C) that resembled a possibleThe ongoing climate change is altering the living conditions for many organisms on this planet at an unprecedented pace. Hence, it is crucial for the survival of species to adapt to these changing conditions. In this dissertation Silene vulgaris is used as a model organism to understand the adaption strategies of widely distributed plant species to the current climate change. Especially plant species that possess a wide geographic range are expected to have a high phenotypic plasticity or to show genetic differentiation in response to the different climate conditions they grow in. However, they are often underrepresented in research. In the greenhouse experiment presented in this thesis, I examined the phenotypic responses and plasticity in S. vulgaris to estimate its’ adaptation potential. Seeds from 25 wild European populations were collected along a latitudinal gradient and grown in a greenhouse under three different precipitation (65 mm, 75 mm, 90 mm) and two different temperature regimes (18°C, 21°C) that resembled a possible climate change scenario for central Europe. Afterwards different biomass and fecundity-related plant traits were measured. The treatments significantly influenced the plants but did not reveal a latitudinal difference in response to climate treatments for most plant traits. The number of flowers per individual however, showed a stronger plasticity in northern European populations (e.g., Swedish populations) where numbers decreased more drastically with increased temperature and decreased precipitation. To gain an even deeper understanding of the adaptation of S. vulgaris to climate change it is also important to reveal the underlying phylogeny of the sampled populations. Therefore, I analysed their population genetic structure through whole genome sequencing via ddRAD. The sequencing revealed three major genetic clusters in the S. vulgaris populations sampled in Europe: one cluster comprised Southern European populations, one cluster Western European populations and another cluster contained central European populations. A following analysis of experimental trait responses among the clusters to the climate-change scenario showed that the genetic clusters significantly differed in biomass-related traits and in the days to flowering. However, half of the traits showed parallel response patterns to the experimental climate-change scenario. In addition to the potential geographic and genetic adaptation differences to climate change this dissertation also deals with the response differences between the sexes in S. vulgaris. As a gynodioecious species populations of S. vulgaris consist of female and hermaphrodite individuals and the sexes can differ in their morphological traits which is known as sexual dimorphism. As climate change is becoming an important factor influencing plant morphology it remains unclear if and how different sexes may respond in sexually dimorphic species. To examine this question the sex of each individual plant was determined during the greenhouse experiment and the measured plant traits were analysed accordingly. In general, hermaphrodites had a higher number of flowers but a lower number of leaves than females. With regards to the climate change treatment, I found that hermaphrodites showed a milder negative response to higher temperatures in the number of flowers produced and in specific leaf area (SLA) compared to females. Synthesis – The significant treatment response in Silene vulgaris, independent of population origin in most traits suggests a high degree of universal phenotypic plasticity. Also, the three European intraspecific genetic lineages detected showed comparable parallel response patterns in half of the traits suggesting considerable phenotypic plasticity. Hence, plasticity might represent a possible adaptation strategy of this widely distributed species during ongoing and future climatic changes. The results on sexual dimorphism show that females and hermaphrodites are differing mainly in their number of flowers and females are affected more strongly by the experimental climate-change scenario. These results provide a solid knowledge basis on the sexual dimorphism in S. vulgaris under climate change, but further research is needed to determine the long-term impact on the breeding system for the species. In summary this dissertation provides a comprehensive insight into the adaptation mechanisms and consequences of a widely distributed and gynodioecious plant species and leverages our understanding of the impact of anthropogenic climate change on plants.show moreshow less
  • Der derzeitige Klimawandel verändert die Lebensbedingungen für viele Tiere und Pflanzen auf unserem Planeten in nie da gewesenem Maße. Damit Arten überleben, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass sich diese an die sich ändernden Klimabedingungen anpassen können. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Modellpflanze Silene vulgaris und versucht zu ergründen, wie sich solch weit verbreitete Pflanzenarten an den Klimawandel anpassen. Dabei ist zu erwarten, dass sie eine hohe phänotypische Plastizität besitzen, durch die sie sich gut anpassen können oder, dass sie sich durch eine genetische Differenzierung als Antwort auf die vorherrschenden Umweltbedingungen auszeichnen. Im experimentellen Ansatz dieser Dissertation untersuchte ich daher die phänotypischen Anpassungen und die phänotypische Plastizität von S. vulgaris an ein mögliches Klimawandelszenario für Zentraleuropa. Dabei wurden die Samen von 25 europäischen Populationen gesammelt und in einem Gewächshausexperiment unter drei verschiedenen Niederschlagsbedingungen (65Der derzeitige Klimawandel verändert die Lebensbedingungen für viele Tiere und Pflanzen auf unserem Planeten in nie da gewesenem Maße. Damit Arten überleben, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass sich diese an die sich ändernden Klimabedingungen anpassen können. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Modellpflanze Silene vulgaris und versucht zu ergründen, wie sich solch weit verbreitete Pflanzenarten an den Klimawandel anpassen. Dabei ist zu erwarten, dass sie eine hohe phänotypische Plastizität besitzen, durch die sie sich gut anpassen können oder, dass sie sich durch eine genetische Differenzierung als Antwort auf die vorherrschenden Umweltbedingungen auszeichnen. Im experimentellen Ansatz dieser Dissertation untersuchte ich daher die phänotypischen Anpassungen und die phänotypische Plastizität von S. vulgaris an ein mögliches Klimawandelszenario für Zentraleuropa. Dabei wurden die Samen von 25 europäischen Populationen gesammelt und in einem Gewächshausexperiment unter drei verschiedenen Niederschlagsbedingungen (65 mm, 75 mm, 90 mm) und zwei verschiedenen Temperaturbedingungen (18°C, 21°C) herangezogen. Im Anschluss wurden verschiedene Biomasse- und Fertilitätsmerkmale gemessen. Für ein tiefergehendes Verständnis der Anpassungsmöglichkeiten von S. vulgaris an den Klimawandel ist es zudem wichtig, auch die zugrundeliegende Phylogenie der Populationen zu verstehen. In diesem Zusammenhang nutzte ich eine genomweite Sequenziermethode mittels ddRAD. Die Bedingungen im Gewächshausexperiment beeinflussten die Pflanzen signifikant in ihren phänotypischen Merkmalen, jedoch ließ sich kein Unterschied zwischen Population unterschiedlicher Herkunft erkennen. Lediglich die Anzahl der Blüten zeigte eine größere Plastizität in nördlichen europäischen Populationen, wo sich die Blütenzahl stärker dezimierte unter höheren Temperaturen und stärkerer Trockenheit. Die populationsgenetische Analyse ergab drei distinkte phylogenetische Gruppen für die untersuchten europäischen Populationen von S. vulgaris: eine Gruppe beinhaltete südeuropäische Populationen aus Spanien und Südfrankreich, eine weitere Gruppe bestand aus den gesammelten Individuen der westfranzösischen Populationen, während die dritte Gruppe, die Populationen aus Mittel- und Nordeuropa enthielt. Diese genetischen Gruppen wurden anschließend ebenfalls der Merkmalsanalyse unter den Gewächshausbedingungen unterzogen. Dabei stellte sich heraus, dass sich die genetischen Gruppen in ihren phänotypischen Merkmalen unterschieden, jedoch eine ähnliche Anpassung ihrer Merkmale an die experimentellen Klimawandelbedingungen zeigten. Der dritte Aspekt dieser Dissertation befasste sich mit möglichen Anpassungsunterschieden zwischen den Geschlechtern in S. vulgaris. Als gynodiözische Art bestehen ihre Populationen sowohl aus weiblichen, also auch aus zwittrigen Individuen. Die phänotypischen Merkmale beider Geschlechter können sich dabei unterscheiden, was man als Sexualdimorphismus bezeichnet. Es ist bereits bekannt, dass sich Pflanzenmerkmale durch den anhaltenden Klimawandel bereits verändern, jedoch ist es nicht gut erforscht, ob und wie sich die unterschiedlichen Geschlechter bei einer sexuell dimorphen Art unter diesem Selektionsdruck verhalten. Während des Gewächshausexperiments wurden daher die Geschlechter der Individuen bestimmt und die phänotypischen Unterschiede zwischen weiblichen und zwittrigen Pflanzen analysiert. Allgemein lässt sich sagen, dass zwittrige Individuen mehr Blüten aber weniger Blätter hatten als weibliche. Im Hinblick auf die experimentellen Klimawandelbedingungen konnte ich zudem feststellen, dass Hermaphroditen in ihrer spezifischen Blattfläche und der Blütenanzahl weniger stark negativ auf höhere Temperaturen reagierten. Synthese – Die signifikanten Merkmalsanpassungen an die Gewächshausbedingungen waren unabhängig von der geographischen Herkunft oder genetischen Gruppe der Individuen. Dies lässt ein hohes Maß an universeller, phänotypischer Plastizität vermuten. Dementsprechend kann davon ausgegangen werden, dass phänotypische Plastizität ein möglicher Anpassungsmechanismus für diese weit verbreitete Art an den Klimawandel sein könnte. Im Hinblick auf den Sexualdimorphismus in S. vulgaris lässt sich sagen, dass sich beide Geschlechter vornehmlich in der Anzahl der Blüten unterscheiden und dass weibliche Pflanzen stärker von den Bedingungen des Gewächshausexperiments beeinflusst wurden. Diese Dissertation konnte damit erstmals darüber Aufschluss geben, wie sich S. vulgaris im Hinblick auf ihren Sexualdimorphismus unter Klimawandelbedingungen verhält. Weitere Forschung wird nun benötigt, um auch den Langzeiteffekt des Klimawandels auf das Fortpflanzungssystem dieser Art abschätzen zu können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit einen umfassenden Einblick in die Anpassungsmechanismen einer weit verbreiteten Pflanzenart an den anthropogenen Klimawandel gibt. Zudem bestärkt sie unser Verständnis der Auswirkungen, die sich daraus für eine gynodiözische Art, wie S. vulgaris ergeben.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Sandra KahlORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556483
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-55648
Subtitle (English):a case study of the widely distributed species Silene vulgaris
Subtitle (German):ein Fallbeispiel der weit verbreiteten Art Silene vulgaris
Reviewer(s):Jasmin Radha JoshiORCiDGND, Michael LenhardORCiDGND, Diethart MatthiesORCiD
Supervisor(s):Jasmin Radha Joshi, Michael Lenhard
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first publication:2022/07/29
Publication year:2022
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2022/07/12
Release date:2022/07/29
Tag:Klimawandel; Pflanzenanpassung; Silene vulgaris
Silene vulgaris; climate change; plant adaptation
Number of pages:127
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
MSC classification:92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
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